CN116599140B

CN116599140B - 一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法

Info

Publication number: CN116599140B
Application number: CN202310849887.0A
Authority: CN
Inventors: 田爱娜; 吴洋; 胡钊瑞; 杜亨昱; 张霄; 吴铁洲; 姜久春
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2023-07-12
Filing date: 2023-07-12
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2043-07-12
Also published as: CN116599140A

Abstract

本发明涉及光伏弱网并网技术领域，且公开一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，包括以下步骤，步骤一：直流电容以动态方程同步控制调节变流器内频率；步骤二：直流电容模拟同步发电机转子动态特性，对直流电容动态方程与同步发电机转子运动方程进行对比，向变流器引入自适应虚拟惯量；步骤三：对模拟过程进行惯量可变性分析。该基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，通过直流电容动态自同步单元无需PLL可实现光伏自同步并网。

Description

一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法

技术领域

本发明涉及光伏弱网并网技术领域，具体为一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法。

背景技术

传统太阳能光伏发电系统经电压源变流器接入电网，换流器控制策略将其等效为恒定电源，无法响应电网频率波动，由于缺乏发电机转子惯量支撑，电力电子化电力系统整体惯量水平降低，系统安全稳定运行受到影响。

经检索到中国专利CN112821445A并公开了基于惯量和阻尼自适应的虚拟同步发电机控制方法，该发明相比于传统的虚拟同步发电机的控制方法，不仅充分利用了虚拟惯量的特性，而且引入了虚拟阻尼，得到了惯量与阻尼的自适应变化公式，在转子的加速过程中适当增大惯量，同时也适当减小阻尼，使得频率的超调量更小的同时也减小了震荡时间，使得逆变器更加稳定，从而输出更高的电能质量，然而在高比例电力电子设备弱电网中，基于锁相环PLL控制方式的直流电压控制型变流器难以适应复杂多变的运行工况和电网强度，容易发生小干扰同步稳定问题，现有方案在一定程度上可提升变流器并网稳定性，但仍依赖于PLL且无法为电力系统提供惯量支撑，且控制策略仍需PLL实现并网同步且易受干扰，不适用于弱电网，因此需研究适用于弱电网，可为光伏系统提供适宜虚拟惯量阻尼的直流电压控制型变流器组网控制策略，以提高对电网强度的适应性，鉴于此，提出了一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，具备电网强度适应性高的优点，解决了不适用于弱电网的问题。

为实现上述电网强度适应性高的目的，本发明提供如下技术方案：一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，包括以下步骤：

步骤一：直流电容以动态方程同步控制调节变流器内频率；

步骤二：直流电容模拟同步发电机转子动态特性，对直流电容动态方程与同步发电机转子运动方程进行对比，向变流器引入自适应虚拟惯量；

步骤三：对模拟过程进行惯量可变性分析。

进一步，所述变流器内频率为弱网并网时变流器提供的实际并网频率。

进一步，步骤一中所述C_dc为直流电容大小，U_dc为直流电容电压，P_PV为低压直流侧注入直流电容功率，P_inv为高压直流侧直流电容输入逆变器功率，i_in为直流电容输入电流，i_out为直流电容输出电流。

进一步，步骤一所述直流电容动态方程作拉普拉斯变换可得/>，s为直流电容C_dc电压平方增量，可得/>。

进一步，步骤二中所述T_Jsg为惯量时间常数，ω_sg为发电机转子转速，D_sg为等效机电阻尼系数，ω_grid为电网频率_，P_m为原动机机械功率，P_e为同步发电机电磁功率。

进一步，对比和，可得、。

进一步，所述ω^*为变流器内频率即dq坐标系旋转频率，单位为标幺值p.u.，ω_g为频率参考值，ω_g的表达式为，/>为锁相环检测电网静态频率输出值，ω₀为频率额定值1.0p.u.，m为权重系数。

进一步，步骤三中所述惯量可变性分析的公式为、。

进一步，所述为虚拟惯量调节控制参数，/>为虚拟惯量稳态值，/>为自适应虚拟惯量系数，/>为虚拟惯量最大调节倍数，/>为基于虚拟惯量的虚拟转子角频率偏差变化率调节阈值。

进一步，所述为等效阻尼调节控制参数，所述/>为虚拟阻尼稳态值，/>为自适应虚拟阻尼系数，/>为虚拟阻尼最大调节倍数，/>为基于虚拟阻尼的虚拟转子角频率偏差变化率调节阈值。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，具备以下有益效果：

1、该基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，通过直流电容动态自同步单元无需PLL可实现光伏自同步并网，使直流电压控制型变流器运行于组网模式，避免由PLL与其他回路发生强耦合出现的小干扰同步失稳问题，提高直流电压控制型变流器的电网适应性。

2、该基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，通过同步发电机转子旋转特性，以系统能量缺额为媒介对虚拟惯量可变性进行分析，证明直流电容虚拟惯量异于同步发电机恒定转动惯量，其参数存在可调节区间。

3、该基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，通过虚拟惯量和虚拟阻尼频率响应特性，将所提出的虚拟惯量阻尼分阶段自适应控制应用于直流电容自同步单元，实现直流电压控制型变流器组网，仿真结果表明本发明提出的基于自适应虚拟惯量阻尼的直流电容动态自同步并网控制方法在电网频率暂态变化过程中可稳定运行于组网模式。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明派克变换示意图；

图3为本发明动态自同步单元示意图；

图4为本发明电流环、电压环和虚拟阻抗的连接示意图；

图5为本发明直流电容自同步惯量模拟示意图；

图6为本发明变流器内频率变化示意图；

图7为本发明变化率示意图；

图8为本发明光伏并网发电系统仿真模型示意图；

图9为本发明光伏系统、升压变换器和并网逆变器的示意图；

图10为本发明LCL滤波电器、变压器和电网的示意图；

图11为本发明变流器内频率ω^*对频率参考值ω_g的跟随曲线示意图；

图12为本发明直流电容电压U_dc曲线图；

图13为本发明变流器输出电流I_{inv_out的a相曲线图；}

图14为本发明自适应虚拟惯量阻尼的系数变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-14，一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，包括以下步骤：

步骤一：直流电容以动态方程同步控制调节变流器内频率，C_dc为直流电容大小，U_dc为直流电容电压，P_PV为低压直流侧注入直流电容功率，P_inv为高压直流侧直流电容输入逆变器功率，i_in为直流电容输入电流，i_out为直流电容输出电流，变流器内频率为弱网并网时变流器提供的实际并网频率，直流电容动态方程作拉普拉斯变换可得，s为直流电容C_dc电压平方增量，可得；

步骤二：直流电容模拟同步发电机转子动态特性，实现变流器并网自同步，对直流电容动态方程与同步发电机转子运动方程进行对比，对比和，可得、，向变流器引入自适应虚拟惯量，其中T_Jsg为惯量时间常数，ω_sg为发电机转子转速，D_sg为等效机电阻尼系数，ω_grid为电网频率_，P_m为原动机机械功率，P_e为同步发电机电磁功率，ω^*为变流器内频率即dq坐标系旋转频率，单位为标幺值p.u.，ω_g为频率参考值，ω_g的表达式为/>，为锁相环检测电网静态频率输出值，ω₀为频率额定值1.0p.u.，m为权重系数；

步骤三：对模拟过程进行惯量可变性分析的公式为和，其中/>为虚拟惯量调节控制参数，/>为虚拟惯量稳态值，/>为自适应虚拟惯量系数，/>为虚拟惯量最大调节倍数，/>为基于虚拟惯量的虚拟转子角频率偏差变化率调节阈值，/>为等效阻尼调节控制参数，/>为虚拟阻尼稳态值，/>为自适应虚拟阻尼系数，/>为虚拟阻尼最大调节倍数，/>为基于虚拟阻尼的虚拟转子角频率偏差变化率调节阈值，引入自适应虚拟惯量阻尼控制，是为了提高弱网并网稳定性。

需要说明的是调节控制参数可改变虚拟惯量大小，调节控制参数/>可改变等效阻尼特性。

当系统达到稳定状态，为电网频率，将s＝0代入式得稳态下变流器内频率，与/>联立得。

由上式可知权重系数m对电网频率偏移时直流电压偏移特性产生影响，当m＝1时稳定状态下有，此时电网频率偏移对直流电压追踪不产生影响，当m≠1时，直流电压在一定范围内波动可为电网提供适当频率支撑。

综上，直流电容动态自同步单元通过调节其内频率实现变流器并网自同步及直流电压控制，输出内频率经Park变换可得dq坐标系下电压电流分量。

为增强系统并网稳定性，针对自同步单元的PI控制环节引入参数自适应控制，由于频率的首次振荡过程是保持电力系统稳定的关键，因此以频率首次振荡为例进行说明，变流器内频率ω^*动态特性决定了当系统频率发生变化时ω^*对系统频率参考ω_g的跟踪效果，引入虚拟转子角频率偏移量进行分析，其中Δω^*为变流器内频率ω^*与系统频率参考值ω_g差值，变化率为/>，控制虚拟转子角频率偏差变化率可使发电机输出电压和频率维持在稳定水平，若角频率偏差过大可能导致变流器脱离同步，采用定虚拟转动惯量阻尼控制对虚拟转子角频率偏移量及其变化率进行分析。

由于虚拟角频率变化率与虚拟转动惯量成反比，基于惯量的阻碍系统状态变化趋势性质，将图6和图7中系统频率振荡过程根据频率偏差和变化率划分为四个典型阶段，以系统给定功率增大为例，具体分析过程如下：

阶段一（t₀～t₁）：t₀时刻虚拟转子角频率从稳定状态突增，频率上升至最大值后变化率逐渐减小为0，该阶段Δω^*、均为正值，需增加虚拟惯量以抑制虚拟转子角频率变化率尖峰，减小转子角频率加速程度以免系统产生更大频率超调量。

阶段二（t₁～t₂）：t₁时刻虚拟转子角频率从最大值开始逐渐减小，跌落速率先增后减，虚拟转子角频率偏差变化率过零点且数值先减小后增大，该阶段Δω^*﹥0，，若增加虚拟惯量，/>减小将会抑制频率恢复趋势，为使频率尽快调整至额定值并趋于稳需减小虚拟惯量。

阶段三（t₂～t₃）：t₂时刻虚拟转子角频率偏差量过零点并达到最低值，频率偏差变化率数值逐渐增加并达到0，该阶段Δω^*﹤0，，为抑制频率下降趋势需向系统增加虚拟惯量以降低频率跌落幅值。

阶段四（t₃～t₄）：t₃时刻虚拟转子角频率偏差量从最小值逐渐增加为0，频率偏差变化率过零点先增加再减小至0，该阶段Δω^*﹤0，，此时若增加虚拟惯量则将抑制频率恢复趋势，可减小虚拟惯量使频率快速恢复至额定值。

因此可基于上述虚拟惯量增减规则可设计虚拟惯量自适应系数使频率快速调整并趋于稳定，基于发电机转子运动方程向其引入阻尼量，，其中T_m为同步发电机机械转矩，T_e为电磁转矩，T_D为阻尼转矩，J_sg为同步发电机转动惯量，D为阻尼，Δω为频率偏差，当等式左边恒定时，阻尼 D与频率偏差Δω成反比，阻尼越大系统稳态偏差越小，因此可在频率趋于稳态时增加阻尼量从而减小频率稳定调节时间以增强频率稳定性，基于上述四阶段分析过程，将自适应阻尼调节引入相对稳定状态的阶段二、阶段三以减小频率调整时间，改善频率稳定性，阶段一、阶段四采用自适应惯量调节以减小初始频率偏差峰值，并在系统趋于稳定时加快平抑频率波动，可得自适应调节系数/>和/>。

本发明具体实施例如下：

利用仿真平台搭建两级式光伏并网发电系统仿真模型，如图8-10所示，对系统频率发生扰动时直流电压控制型变流器内频率ω^*的跟踪效果进行仿真验证和方案对比，该系统在t＝1s时引入频率跌落Δω_g，在t＝1.5s系统频率恢复，系统主要仿真参数U_L＝311V，U_dc＝800V，C_f＝50μf，太阳能光伏阵列类型为SunPowerSPR-305E-WHT-D，串并联模块分别为10。

图11为变流器内频率ω^*对频率参考值ω_g的跟随曲线，可以看出该控制方式下ω^*能对ω_g进行跟随，系统虚拟惯量和阻尼量可根据系统频率变化实现动态调节因此曲线整体波动程度小，超调量低，因此对频率跟踪效果好，整体更加贴合系统频率变化曲线，且自适应调节使得频率曲线整体更加平滑，再次验证直流电容动态自同步单元的并网可靠性。

图12为直流电容电压U_dc曲线，从图中可以看出该控制方式下直流电容电压U_dc随频率波动超调量小，在频率恢复后进入稳态时间较短。

图13为变流器输出电流I_{inv_out}的a相曲线，该控制方式下电流曲线在频率跌落后超调量较小，频率恢复后可在0.8s内达到稳态值。

图14为提出控制方式的自适应虚拟惯量阻尼的系数变化情况，在系统频率跌落过程中采用自适应虚拟惯量阻尼系数、/>交错控制，该控制方式在频率扰动初始处于图6和图7中第一阶段，虚拟转子角频率偏差变化率出现尖峰，/>自适应变化且数值较大，此时/>为定值，随后进入二、三阶段，系统处于相对稳定状态，/>自适应变化，此时/>为定值，最后进入第四阶段，虚拟转子角频率偏差量由最小值逐渐增加为0，与理论分析相符合。

本发明的有益效果是：

该基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，通过直流电容动态自同步单元无需PLL可实现光伏自同步并网，使直流电压控制型变流器运行于组网模式，避免由PLL与其他回路发生强耦合出现的小干扰同步失稳问题，提高直流电压控制型变流器的电网适应性。

并且，通过同步发电机转子旋转特性，以系统能量缺额为媒介对虚拟惯量可变性进行分析，证明直流电容虚拟惯量异于同步发电机恒定转动惯量，其参数存在可调节区间。

同时，通过虚拟惯量和虚拟阻尼频率响应特性，将所提出的虚拟惯量阻尼分阶段自适应控制应用于直流电容自同步单元，实现直流电压控制型变流器组网，仿真结果表明本发明提出的基于自适应虚拟惯量阻尼的直流电容动态自同步并网控制策略在电网频率暂态变化过程中可稳定运行于组网模式。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：直流电容以动态方程同步控制调节变流器内频率，其中C_dc为直流电容大小，U_dc为直流电容电压，P_PV为低压直流侧注入直流电容功率，P_inv为高压直流侧直流电容输入逆变器功率，i_in为直流电容输入电流，i_out为直流电容输出电流，直流电容动态方程/>作拉普拉斯变换可得，s为直流电容C_dc电压平方增量，可得；

步骤二：直流电容模拟同步发电机转子动态特性，对直流电容动态方程与同步发电机转子运动方程进行对比，对比和， />、/>，向变流器引入自适应虚拟惯量，其中T_Jsg为惯量时间常数，ω_sg为发电机转子转速，D_sg为等效机电阻尼系数，ω_grid为电网频率_， P_m为原动机机械功率， P_e为同步发电机电磁功率，ω^*为变流器内频率即dq坐标系旋转频率，单位为标幺值p.u.，ω_g为频率参考值，ω_g的表达式为，/>为锁相环检测电网静态频率输出值，ω₀为频率额定值1.0p.u.，m为权重系数；

步骤三：对模拟过程进行惯量可变性分析，惯量可变性分析的公式为，其中/>为虚拟惯量调节控制参数，/>为虚拟惯量稳态值，/>为自适应虚拟惯量系数，/>为虚拟惯量最大调节倍数，/>为基于虚拟惯量的虚拟转子角频率偏差变化率调节阈值；，其中/>为等效阻尼调节控制参数， />为虚拟阻尼稳态值，/>为自适应虚拟阻尼系数，/>为虚拟阻尼最大调节倍数，为基于虚拟阻尼的虚拟转子角频率偏差变化率调节阈值， />。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制的直流电容动态光伏并网控制方法，其特征在于：所述变流器内频率为弱网并网时变流器提供的实际并网频率。